淺談高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)研究

朱穎

（太原市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030043）

近年來，由于我國不時(shí)出現(xiàn)的一些地震，使得高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能日益提高。如何確保高層建筑在地震作用下取得較好的抗震性能，一直是工程建設(shè)中的一個(gè)難題。目前國內(nèi)已建成的許多高層建筑物均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中，主要以延性性為重點(diǎn)，因?yàn)樵黾友有钥梢栽鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，從而增強(qiáng)其抗坍塌性能。建筑物的抗震設(shè)計(jì)是在經(jīng)過多年的施工實(shí)踐和多年的施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)在地震中受到的損壞而進(jìn)行的一種基本的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)思路，同時(shí)也是對房屋和建筑物的總體布局和詳細(xì)的構(gòu)造措施的確定。從原理上講，地震動是一種隨機(jī)性、復(fù)雜性和不確定性的隨機(jī)振動。建筑結(jié)構(gòu)的地震分析中，我們沒有充分的考慮空間的作用，建筑結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，材料的影響，外部環(huán)境的影響，都是未知的。因此，建筑物的防震設(shè)計(jì)不能完全依賴于計(jì)算，而是要從防震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論和多年的防震實(shí)踐中得出的結(jié)論作為基礎(chǔ)，從而達(dá)到更好的防震效果。

1 高層建筑物的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范

從現(xiàn)有條件看，高層混凝土建筑物具有較好的抗震性能，主要體現(xiàn)在：在低水平的地震作用下，房屋的總體構(gòu)造不會受很大的沖擊，不會出現(xiàn)破壞現(xiàn)象；震級為中度，高層建筑物在后期修復(fù)后仍能正常工作；在高震水平下，不存在倒塌的情況。因此，必須從整體上進(jìn)行高層建筑的抗震設(shè)計(jì)，采取剛?cè)嵯酀?jì)的方法，使其在結(jié)構(gòu)上具有科學(xué)性和合理性，并根據(jù)具體的具體條件進(jìn)行規(guī)劃。要想達(dá)到更好的抗震性能，就必須按照“強(qiáng)簡強(qiáng)彎”的要求來進(jìn)行。在進(jìn)行高層建筑物的地震反應(yīng)時(shí)，必須要掌握其強(qiáng)度的數(shù)值，要對其進(jìn)行精確的分析和計(jì)算，要對所用的材料、設(shè)備的相關(guān)性能、設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、所用的物理和機(jī)械的設(shè)備性能等信息進(jìn)行全面的研究[1]。由此可以確定結(jié)構(gòu)的剛度強(qiáng)度，保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。同時(shí)，關(guān)鍵部件和節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀況，也應(yīng)引起建筑工程師的重視。

2 高層混凝土結(jié)構(gòu)特征與震害特征

高層混凝土建筑的構(gòu)造特征：高層混凝土房屋是一種混凝土建筑，其高度在28m以上，而且是10層以上。所謂的高樓大廈，實(shí)際上就是一座懸挑的高樓。在高層混凝土結(jié)構(gòu)中，由于橫向加豎向加載，所以其高度與縱向作用力基本上是呈直線的。在高層混凝土結(jié)構(gòu)中，其層間的橫向變形之間存在著一定的線性增長，而其縱向應(yīng)力與其所處的位置成正比。從力學(xué)性能上看，在橫向載荷作用下，隨著橫向載荷的增大，其高度與彎矩呈現(xiàn)二次方差的關(guān)系，而在豎向載荷相同的情況下，隨著高度的增大，其作用也會減小。

3 地震中高層建筑物的失效特征

3.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的失效特征

而在高樓大廈的地基上，則更易受到影響，由于地基的變形，會產(chǎn)生下沉，從而造成房屋的上半部分的傾斜，而在某些險(xiǎn)要的地方，修建的高樓，在地震的時(shí)候，地基會產(chǎn)生不均衡的塌陷，甚至產(chǎn)生裂紋，而當(dāng)建筑物本身的時(shí)間與空間的循環(huán)頻率一致時(shí)，就會產(chǎn)生共鳴，從而對建筑物造成嚴(yán)重的損傷[2]。

3.2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效特征

若高強(qiáng)混凝土建筑物采用框架填墻結(jié)構(gòu)，在地震時(shí)，其內(nèi)部框架柱的上部容易出現(xiàn)剪切破壞，而窗洞段由于受外力影響而出現(xiàn)的短柱斷裂。在地震中，框架剪力墻的損傷相對輕微。由于底板的剛性很差，在地震時(shí)會造成很大的損傷，而采用框支擋結(jié)構(gòu)，由于底板是開放式的，在沒有進(jìn)行墻體施工時(shí)，由于其剛性比較差，因此，地基將會遭受很大的損壞。

3.3 剛性失效特性

建筑物的主要構(gòu)造采用長方形的平面型，當(dāng)建筑物內(nèi)的升降機(jī)等出現(xiàn)偏心時(shí)，在扭振的影響下，將會加劇地震的破壞力。

3.4 各部件的失效特征

在框架剪力結(jié)構(gòu)中，柱會比板、梁更多地受到損傷，而在剪斷的窗沿下方部位，更易產(chǎn)生交叉開裂。由于框柱處設(shè)有螺桿式箍筋，因此，其層間的位移角較大，因此，結(jié)構(gòu)柱受震時(shí)的抗震性更大[3]。

4 高層建筑的抗震設(shè)計(jì)策略

4.1 合理選擇施工地點(diǎn)

在進(jìn)行高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)，必須綜合考慮地震和災(zāi)情，因此，如何科學(xué)、合理的施工地點(diǎn)將直接關(guān)系到其結(jié)構(gòu)的抗震性能。只有建立健全的科學(xué)原理和正確的選址，才能對建筑周圍的地質(zhì)情況和地形進(jìn)行有效的勘察和勘探。首先，水泥結(jié)構(gòu)的周圍不能有任何危險(xiǎn)的設(shè)備，比如發(fā)電廠、變電站等，第二，必須要遠(yuǎn)離那些防震能力較弱的區(qū)域。

4.2 改善建筑的設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)工程師的建議，設(shè)計(jì)的建筑物必須達(dá)到現(xiàn)行的抗震性能標(biāo)準(zhǔn)，并且必須能在一定的范圍之內(nèi)進(jìn)行變形調(diào)節(jié)，可以增強(qiáng)其延展性，使其回復(fù)到原來的水平，從而大大降低了建筑物的整體變形，確保了建筑物的整體性能。為了確保結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與縱向重力作用，既要確保結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均勻，又要滿足結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)剛性，確保結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)有條理、不紊亂、有層次、不交錯(cuò)，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)因素在設(shè)計(jì)中選用最為合適的抗震措施，必須對核心關(guān)鍵部位要做到嚴(yán)格處理及重視，使結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)有條理、不紊亂、有層次、不交錯(cuò)，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)因素在設(shè)計(jì)中選用最為合適的抗震措施，必須對核心關(guān)鍵部位要做到嚴(yán)格處理及重視，使整體結(jié)構(gòu)達(dá)到上到下受力均衡的目的，保證建筑的整體對稱，這種重力變化可以很大程度的減少地震引起的橫向與垂直方向上的反作用所造成的影響[4]。

4.3 構(gòu)造的規(guī)律化

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須滿足結(jié)構(gòu)的規(guī)范要求，使其具有足夠的抗側(cè)力，從而使其具有足夠的穩(wěn)定性。在建筑物的布局中，采用較為規(guī)律性的圖案，其原因在于，在任何條件下，這些規(guī)律性的圖案可以保證在任何條件下，都可以達(dá)到平均的承載能力。要避免某些復(fù)雜而又變化的建筑物，因?yàn)樗鼈兊男螤詈苋菀自斐山ㄖ锏蔫F芯和鐵芯之間的混亂。當(dāng)遇到震動時(shí)，鋼筋間距會增大，剛度無法滿足，導(dǎo)致房屋坍塌[5]。

4.4 建筑構(gòu)造的選用

在地震中，高層建筑物的抗震能力主要取決于其結(jié)構(gòu)的材質(zhì)。實(shí)際中，在高層建筑物的抗震設(shè)計(jì)中，其核心問題是將相關(guān)的構(gòu)件進(jìn)行整體的延性化，并進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，以保證在發(fā)生地震后房屋的穩(wěn)定性與安全性。至于鋼筋，則要選用強(qiáng)度更高的。對于豎向受壓的鋼筋，選用HRB335、HRB400等，而箍筋為HPB235，HRB335，HRB40。在選擇建材時(shí)，一定要對其抗震性能有一個(gè)全面的認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上，必須對工程造價(jià)及費(fèi)用進(jìn)行合理的管理。因此，在選擇建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，必須尋找新的地震特性與造價(jià)之間的平衡，這樣，就可以在最小的材料上達(dá)到最好的地震效果。

4.5 考慮到位移，減小了輸入地震的能量

對移位問題的觀點(diǎn)進(jìn)行了比較。在國內(nèi)的建筑物設(shè)計(jì)中，計(jì)算承載力是非常重要的，因此，必須注重計(jì)算，運(yùn)用靈活的方法，對有關(guān)的受力進(jìn)行系統(tǒng)的分析與計(jì)算，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性；可以降低結(jié)構(gòu)的側(cè)傾，通過對有關(guān)資料的深入研究，綜合多個(gè)方面的影響，減少輸入的震源。因此，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮到地震的影響，認(rèn)真預(yù)算、計(jì)算和分析各種形式的變形，同時(shí)要注重構(gòu)件的受力，計(jì)算層間的側(cè)向位移和整體位移的延性比，從而確保建筑物的安全性和實(shí)用價(jià)值[6]。

5 對高層混凝土建筑物各層的構(gòu)造參數(shù)設(shè)定的探討并提出措施

在進(jìn)行高層混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)處理前，應(yīng)全面認(rèn)識項(xiàng)目選址、地質(zhì)條件、材料選擇、施工專業(yè)技術(shù)、質(zhì)量檢測等多個(gè)因素的綜合考慮，建立一個(gè)基礎(chǔ)的建筑設(shè)計(jì)架構(gòu)，利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想和專業(yè)技術(shù)，設(shè)計(jì)出可行的方案，并對關(guān)鍵部分進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)注，以便更好地實(shí)現(xiàn)抗震，并建立一個(gè)系統(tǒng)完善的、詳盡的數(shù)據(jù)庫，便于結(jié)構(gòu)工程師從中抽取相關(guān)的實(shí)例，以便在今后的工作中借鑒。

5.1 應(yīng)用高延性設(shè)計(jì)，消震和隔震的方法

目前國內(nèi)許多高層建筑物的地震反應(yīng)都采用了延性體。所謂延性結(jié)構(gòu)，就是要對建筑物的剛性進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保證在地震中，房屋的構(gòu)件能夠處于延性良好的塑性狀態(tài)，在地震的時(shí)候，房子可以減緩地震的影響，降低地震造成的傷害，降低經(jīng)濟(jì)上的損失。為了降低建筑物的抗震性能，可以使用減震裝置，它可以有效地吸取地震的熱量，從而減少建筑物在大范圍內(nèi)的震動。在結(jié)構(gòu)上，可以采用框筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)和框-剪力結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)。如果投資充足，可以選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這三種結(jié)構(gòu)形式中的一種，既可以減少截面的大小，又可以提高結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)能力。在過去，高層建筑的抗震設(shè)計(jì)都是以剛性為主，但是在近代，卻是以柔韌為主導(dǎo)，達(dá)到了以柔克剛、剛?cè)岵?jì)的目的，既可以減少地震的影響，又可以減少對高層建筑的損傷。

在一些高層建筑物中，隔震消能和減振的設(shè)計(jì)要求十分苛刻，為了達(dá)到普遍的地震作用，還應(yīng)達(dá)到消能隔振的目的。因此，要實(shí)現(xiàn)以上目的，必須要合理選取基礎(chǔ)及場地，選用密度高的基礎(chǔ)，才能有效降低結(jié)構(gòu)在輕微的地震中受到的破壞，降低共振的可能性。建筑的抗震性能隨建筑結(jié)構(gòu)的變化而變化。因此，在進(jìn)行建筑物結(jié)構(gòu)的規(guī)劃時(shí)，一定要結(jié)合具體的具體條件，選擇合適的隔震支架，并對風(fēng)荷載的影響進(jìn)行全面的分析。對于具有消能和隔振要求的結(jié)構(gòu)，采用具有良好韌性的材質(zhì)，能保證結(jié)構(gòu)在地震中受到的損傷減小。

5.2 改善建筑設(shè)計(jì)的計(jì)劃

結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)，必須要達(dá)到國家有關(guān)的抗震標(biāo)準(zhǔn)，保證建筑物的主體結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行調(diào)整和變形，并且在這種彈性的影響下，它可以自行的將其還原成原來的樣子。通過這種方式，可以極大地減弱因主體的變化對建筑物的負(fù)面影響，從而使其在較長時(shí)間內(nèi)維持一個(gè)穩(wěn)固的、穩(wěn)固的平衡。在估計(jì)不同水平的地震作用下，應(yīng)對各建筑物的布置要素進(jìn)行科學(xué)、合理的布置，以保證其整體的均衡。要保證它的平衡勻稱，達(dá)到剛性的要求，要盡量保證結(jié)構(gòu)的條理性、層次性，按照實(shí)際情況在設(shè)計(jì)中加入相關(guān)的預(yù)防地震措施，嚴(yán)格處理和應(yīng)對結(jié)構(gòu)中重要的預(yù)防地震措施以及重要的細(xì)小部分，讓整體結(jié)構(gòu)自上而下所要承擔(dān)的壓力都是均勻的，這樣才能保證建筑物的平衡。這樣一個(gè)簡單的改變，就可以抵消掉地震的橫向和垂直方向的無規(guī)律力量，從而起到一定的減震作用。

5.3 抑制扭轉(zhuǎn)作用

在不同的荷載作用下，水平作用、垂直作用和扭轉(zhuǎn)作用三大類，這些作用組合在一起，造成的破壞是無法估量的。地裂、房屋倒塌、地形的劇烈變化，都是隨時(shí)都會發(fā)生的事情，所以這里的環(huán)境并不是那么的穩(wěn)固。這就給高層建筑的抗震設(shè)計(jì)提出了新的需求，著重考慮了地震引起的扭振效應(yīng)，并提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形準(zhǔn)則，在選擇的時(shí)候要考慮最大的變形量和減小最小的帶點(diǎn)剛性，保證結(jié)構(gòu)的總體位移的協(xié)調(diào)性，保證每個(gè)環(huán)節(jié)都符合設(shè)計(jì)的要求，一旦出現(xiàn)問題，就要進(jìn)行相應(yīng)的修正，盡量減少因地震的扭曲造成的不利后果，從而提高大樓的抗震性能。

5.4 增加抗震設(shè)防

高樓大廈的抗震結(jié)構(gòu)是多個(gè)連續(xù)單元，每個(gè)單元之間都有協(xié)同作用，比如框剪結(jié)構(gòu)就是將剪力墻和框架分開而形成的多腿剪力墻結(jié)構(gòu)，一般在大震之后都會產(chǎn)生余震，因此，如果僅設(shè)一條防震防線，那么當(dāng)余震造成的時(shí)候，這條防御線將會對高層結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的損壞，嚴(yán)重的話，可能會導(dǎo)致房屋的坍塌。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者應(yīng)注意構(gòu)造單元的防震系統(tǒng)，以確保在同一平面上的主構(gòu)件發(fā)生屈曲，其余各受力構(gòu)件均為彈塑性變形，從而增加其有效屈服期，從而使其具有增強(qiáng)的韌性和抗側(cè)傾性能。在進(jìn)行房屋的地震反應(yīng)時(shí)，有一些結(jié)構(gòu)的抗側(cè)位移，由于建筑物的設(shè)計(jì)數(shù)值過大，導(dǎo)致其它的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗側(cè)移不足，因此在進(jìn)行地震分析時(shí)，應(yīng)考慮到局部構(gòu)造的橫向位移，并考慮到各部位的加勁性。

5.5 常用的補(bǔ)強(qiáng)方案

為了提高房屋的抗震性能，必須根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的加固措施，選擇的加固方式必須考慮以下幾個(gè)方面：一是在結(jié)構(gòu)上存在錯(cuò)誤或有瑕疵，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加以加強(qiáng)，或者選擇具有更高的抗震性能的部件。為了改善結(jié)構(gòu)的整體剛性和承載能力，可以采用套箍、增大原有截面、增大部件等措施。一般建筑物整體聯(lián)接不能達(dá)到抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，需要對其進(jìn)行有針對性的調(diào)節(jié)，減少破壞，使地震荷載分布均勻。為了防止在地震中造成損壞，必須加強(qiáng)與房屋結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分。因此，在進(jìn)行高層建筑的地震防震設(shè)計(jì)時(shí)，要充分利用對建筑物本身已有的認(rèn)識，并根據(jù)其對地震作用的認(rèn)識，對其進(jìn)行綜合評價(jià)、甄別、選擇等處理，并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算與構(gòu)造，以消除其弱點(diǎn)，使其具有更好的防震效果。

6 結(jié)語

由于地震具有隨機(jī)性、破壞力強(qiáng)等特性，它對人類的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了極大的影響。因此，高層混凝土結(jié)構(gòu)房屋的地震反應(yīng)與人類的人身和財(cái)產(chǎn)的安全有著密切的聯(lián)系，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)通過調(diào)查以往的地震影響數(shù)據(jù)，通過分析施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)因素，從而制定出一套行之有效的措施，提高其抗震能力。